[发明专利]一种IGBT结构及其制作方法

说明书

本发明公开了一种IGBT结构及其制作方法，属于半导体功率器件。该结构从背面到正面依次包括，P+集电极，N+缓冲层、N‑基底、P+基区、栅极和发射极；其中，P+集电极位于IGBT器件的底部，N+缓冲层包括第一缓冲层、第二缓冲层和第三缓冲层，P+型集电极到N‑基底之间依次有第三缓冲层、第二缓冲层和第一缓冲层。本发明可以对IGBT的正向导通压降和关断时间分别优化，从而可以获得更好的导通和关断的折中曲线，进而可以优化IGBT的开关特性。

技术领域

本发明属于半导体功率器件，特别涉及一种IGBT结构及其制作方法。

背景技术

常规的非穿通型IGBT采用区熔单晶硅衬底制备。在阻断工作条件下，电场在N-基底区域的分布为三角形，阻断电压随着N-基底区域厚度的增大而增大。当N-基底区域的厚度增大后，正向导通的压降也会随之增大。另一方面，在正向导通的状态下N-基底区域会存储大量的少子电荷，一般来讲，在N-基底区域会同时存在少子和多子电荷，因此在关断的过程中，随N-基底区域厚度的增大对应的关断时间也随之增大。与非穿通型IGBT器件结构相比，电场阻断型IGBT通过在背面N-基底区域和P+集电极之间添加一层N+缓冲层，作为电场的阻挡层。这种方法可以在相同的阻断电压下减少N-基底区域的厚度，从而能够降低IGBT的正向导通压降和关断时间。参见图1,给出了电场阻断型IGBT的结构，N+缓冲层的厚度和掺杂浓度主要受以下三个因素影响：1）阻断电压的限制。在阻断状态下，电场主要分布在N-基底区域内，在N-基底/N+缓冲层界面处，根据高斯定理，界面处电场强度分布由界面处掺杂浓度决定，而N+缓冲层区域电压降由N+缓冲层的厚度和掺杂浓度决定。2）在N+缓冲层/P+集电极层界面处，背面集电极的注入效率受P+集电极和N+缓冲层的掺杂浓度的限制。增大N+缓冲层的掺杂浓度会降低背面集电极的注入效率，背面集电极注入效率是IGBT的最基本参数，对IGBT的阻断电压，正向导通压降，跨导等许多参数都有影响。3）在N+缓冲层的中间区域，其掺杂浓度主要对少数载流子的寿命产生影响，进而影响IGBT的关断时间。

现有技术中，在N-基底区和P+集电极区域之间添加N+缓冲层，厚度在100nm到2μm。其功能为阻断电场，并可以降低N-基底层的厚度。N+缓冲层掺杂的总剂量约为1E12/cm²，典型的掺杂浓度在1E16/cm³以上，掺杂采用离子注入，参见图2，给出了现有技术中电场阻断型IGBT的纵向掺杂浓度分布。离子注入后的高温退火只是部分消除离子注入产生的损伤，其温度小于600℃。现有技术中还提出了一种穿通型IGBT的结构，背面的N+缓冲层通过一次或者多次质子辐照的方法制备，在多次的质子辐照过程中，在辐照能量降低的同时增加辐照的剂量，越靠近集电极区域N+缓冲层掺杂浓度越高。按照泊松定律，电场的梯度与掺杂浓度成正比，采用这种掺杂浓度的目的主要是获得更快的电场阻断速度。

IGBT的导通电压和关断时间是其最重要的参数，电场阻断层由一次离子注入形成。离子注入后杂质的分布为高斯分布，其浓度峰值和深度可以通过注入的剂量和能量调节。然而这种方法对杂质分布形状的优化的自由度较低，不能够独立优化导通电压和关断时间，同时关断能耗也高。另外，关于多次的质子辐照主要用来优化电场分布的方法，却并没有考虑到少数载流子寿命和背面集电极PN结注入效率的优化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种IGBT结构及其制作方法，解决了现有技术中导通电压高和关断能耗高的技术问题。